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1、1112第二十八届（2012）全国直升机年会论文某型大气航姿基准系统原理及应用问题分析赵晓博 1 周 滨 2（ 1 中 航 工 业 哈 尔 滨 飞 机 工 业 集 团 有 限 责 任 公 司 /2 中 国 人 民 解 放 军 驻 一 二 二 厂 军 事 代 表 室 ， 哈 尔 滨 ， 150066）摘 要：本文通过对某型大气航姿基准系统原理的解读和分析，结合在直九型机上的加装实例，针对技术难点和应用过程中出现的典型问题进行了分析并提出解决方案，以期为以后在其他机型上加装同类产品提供参考。关键词：大气航姿基准系统 横滚 俯仰 磁航向1 概述航姿系统是直升机上提供姿态和航向信息的系统，对于驾驶员操
2、纵飞机十分重要。一般对于直升机来说“姿态信息全部丧失”将会带来灾难性故障，因此通常采用增加余度、提高系统可靠性等方法来满足直升机安全的需要。本文通过对某型大气航姿基准系统原理及应用的研究，总结该系统在Z9 型机上的应用经验，为该系统的推广应用奠定基础，同时也为其他航姿系统在 Z9 型机上的加装提供参考。2 系统组成及原理大气航姿基准系统用于测量并显示直升机的姿态（俯仰角、横滚角） 、磁航向；感测全静压系统的全压、静压气压管路信息并计算得到直升机的气压高度、指示空速、升降速度等信息，并在备份飞行显示器上显示上述信息。同时，大气航姿基准系统接收并显示无线电罗盘发送的无线电台相对方位角，通过 ARI
3、NC407 接口向自动驾驶仪和气象雷达发送磁航向、姿态信息。下面着重介绍一下该型大气航姿基准系统的组成及工作原理。2.1 系统组成大气航姿基准系统由备份飞行显示器、航姿计算机和磁传感器组成，见表 1。表 1 设备组成及配套情况名称 装机位置 单机数量备份飞行显示器 驾驶舱仪表板 1航姿计算机 机头平台左右两侧 2大气航姿基准系统磁传感器 尾梁结构 22.2 系统原理11132.2.1 大气航姿基准系统图 1 大气航姿基准系统组成图大气航姿基准系统由备份飞行显示器、航姿计算机和磁传感器组成。一台航姿计算机和一台磁传感器组成了一套航向姿态解算单元，大气航姿基准系统由两套独立航向姿态解算单元和一台备
4、份飞行显示器组成，两套航向姿态解算单元之间相互独立，功能和性能完全一致并可互换。交联关系说明：磁传感器按照 RS422 格式发送给航姿计算机的磁航向、磁通量信息；磁传感器按照 RS422 格式发送给备份飞行显示器磁航向信息，磁传感器按照 RS422 格式接收备份飞行显示校罗盘指令；航姿计算机按照 RS422 格式向备份飞行显示器发送磁航向、姿态信息，备份飞行显示器向航姿计算机发送大气数据信息；航姿计算机以 ARINC407 格式向自动驾驶仪和气象雷达发送磁航向、姿态信息；航 姿 计 算 机 按 照 ARINC429 格 式 将 需 要 记 录 的 信 息 （ 磁 航 向 、 姿 态 、 大 气
5、 数 据 等 ） 发 送 给 飞 参 ；航 姿 计 算 机 按 照 ARINC429 格 式 将 需 要 显 示 的 信 息 （ 磁 航 向 、 姿 态 、 大 气 数 据 等 ） 发 送 给 综 显 ； ARINC407大 气 航 姿 基 准 系 统 日 /夜 切换 103.2 13.2 29 S 1114无线电罗盘按照 ARINC407 格式向航姿计算机发送的无线电方位。2.2.2 航 姿 计 算 机2.2.2.1 基本功能航姿计算机完成磁航向、姿态基准的计算，飞行参数的输出，并进行 BIT 的监控和汇总。磁航向、姿态基准计算航姿计算机内的陀螺仪和加速度计敏感载体角速度、线加速度，对接收到
6、的磁传感器磁通量信息进行磁航向、姿态的计算。飞行参数发送航姿计算机通过 ARINC407 向自动驾驶仪和气象雷达发送磁航向、姿态信息。表 2 航姿计算机发送信息源 目标 参数 格式自动驾驶仪 磁航向、俯仰、横滚 ARINC407气象雷达 俯仰、横滚 ARINC407综显 航姿、大气数据等 ARINC429航姿计算机飞参 航姿、大气数据等 ARINC4292.2.2.2 构成航姿计算机由机箱、导航板、加速度计组合、三个互相正交的光纤陀螺仪、电源板、滤波器以及外部接插件等单元构成。2.2.2.3 原理机上 28V 直流电源进入电源滤波与电源模块后，电源模块提供导航板、数字- 同步器转换模块和陀螺仪
7、、加速度计的二次电源，电压要求在图 4 中表述；导航板接收光纤陀螺和加速度计的输出，进行磁航向和姿态的计算，将解算得到的磁航向姿态信息和接收数字-同步器转换模块转换成数字量的无线电罗盘值一并发送给备份飞行显示器进行显示，同时将上述信息发送给综显以及飞参；数字- 同步器转换模块接收到导航板发送的磁航向姿态信息后，转换成三相 ARINC407 标准的三线制同步器信号发送给气象雷达和自动驾驶仪。如下图所示：图 2 航姿计算机功能原理图图 2 中数据流包括：陀螺仪敏感的角速度信息；图 2 中数据流包括：加速度计组合敏感的线加速度信息；图 2 中数据流包括：数字-同步器转换模块发送数字量的无线电罗盘信息
8、，数字- 同步器转换模块接收导航板发送的磁航向、姿态信息；图 2 中数据流包括：导航板发送给备份飞行显示器的磁航向、姿态信息，导航板接收备份飞行显示器的大气数据信息；图 2 中数据流包括：导航板发送给飞参、综显的磁航向、姿态等信息；图 2 中数据流包括：磁传感器发送给航姿计算机的磁通量、磁航向信息；图 2 中 28V/开信号为提供给自动驾驶仪的航姿有效信号。1115 备 份 飞 行 显 示 器频 率 、 电 压机 上 28VDC 图 形 信 号RS42模 拟 信 号PsPt 电 源 信 号 按 键5VDC28C 日 /夜 切换 103.2 13.2 气 压 管 路 频 率 、 电 压5C 磁
9、传 感 器航 姿 计 算 机航 姿 计 算 机磁 传 感 器 气 压 管 路 t照 明 28VDC45C15VD2.2.3 备份飞行显示器2.2.3.1 基本功能备份飞行显示器功能包括：独立的大气数据解算和飞行参数的备份显示。备份飞行显示器的亮度可调节、昼夜模式可切换，并可实现场压装订和查看周期自检等功能。大气数据解算备份飞行显示器尾部配置了静压传感器和全压传感器，经过皮托管与全静压系统的气压探头相连，可以敏感并计算出直升机的全压 Pt 和静压 Ps，从而解算得到直升机的气压高度、指示空速和升降速度。显示及操作备份飞行显示器通过显示器面板的周边按键实现对显示器亮度和昼夜模式的切换、场压装订等功
10、能。2.2.3.2 原理备份飞行显示器原理图如图 3 所示：图 3 备份飞行显示器原理图图 3 中数据流包括：大气传感器 Ps、Pt 输出的频率和电压；图 3 中数据流包括：大气解算板解算出的大气数据，接收的航姿计算机发送的航向姿态信息，接收的磁罗盘发送的校罗盘信息，采集的导光板按键信息；图形发送自检信息、液晶显示模块的状态信息；图 3 中数据流包括： 导光板的按键信息；图 3 中数据流包括为：与航姿计算机之间通讯的磁航向、姿态、大气信息；图 3 中数据流包括为：与磁传感器之间通讯的校罗盘信息；图 3 中数据流包括为：图形板驱动液晶显示模块的时序和逻辑。机上 28V 直流电源进入电源滤波与电源
11、模块后，电源模块提供大气解算板、图形板、导光板、1116大气传感器和液晶显示模块的二次电源；大气解算板接收航姿计算机发送的磁航向、姿态等信息，接收磁罗盘的校罗盘信息；大气解算板采集大气传感器 Ps、Pt 的频率和压力，解算得到气压高度、指示空速和升降速度；同时大气解算板采集导光板的按键信息；将上述信息（大气数据、航姿数据、校罗盘数据、导光板按键）发送给图形板实现液晶显示模块显示画面切换和操作。由于备份飞行显示器同时接收两路航姿基准源，图形板生成显示的信号源采用如下的选用方法：备份飞行显示器默认选用左航姿计算机数据；当连续一段时间内收不到左航姿计算机发送的数据或左航姿计算机发送故障代码信息后，备
12、份飞行显示器自动切换至右航姿计算机数据。如果两路信号源同时故障，则备份飞行显示器显示故障画面，屏蔽航向姿态信息显示。另外，通过长按导光板按键“ 切换” 可以手动切换左、右航姿计算机信息源。2.2.4 磁传感器大气航姿基准系统的磁传感器采用已经设计定型的货架产品 GHC-10C。磁传感器通过测量三个正交轴向的地磁分量，利用姿态修正解算得到载体的磁航向，并通过 RS422 串行总线输出至航姿计算机用于航姿解算，发送至备份飞行显示器并接收其指令实现校罗盘功能。3 应用过程中出现的问题及解决措施3.1 大气航姿计算机姿态校准困难故障现象：大气航姿计算机安装在机头设备架，安装方式为通过四个M4螺钉将计算
13、机、计算机安装支架与机头设备架连接，安装支架与设备架之间装有可剥垫片，用来调整大气航姿计算机的初始角度。在维护过程中，发现存在每次拆卸大气航姿计算机后再重新安装时都要重新调整安装支架角度的问题。解决方案：针对上述计算机安装、拆卸和调整角度过程中存在的问题，对安装要求进行了进一步的分析，在与厂家协调后做了以下工作来解决问题：协调厂家提供大气航姿计算机安装支架成品，在机头电子设备架增加开孔用于安装支架成品与机身的连接，将安装方式改为先将支架安装并调整好角度再安装大气航姿计算机，这样在以后的维护中只需拆卸计算机即可不用重新调整初始角度。3.2 校罗盘时校准误差过大故障现象：在罗盘校准过程中，每一个校
14、准位置备份飞行显示器上显示的数值与实际数值都有12度的偏差。故障分析：经分析，产生这种现象有两种可能：1) 磁罗盘安装角度本身存在误差；2) 磁罗盘校准程序存在问题。解决方案：磁罗盘的原理如下：1117图4 磁传感器功能原理磁传感器中内置的倾角传感器可以得到静态下磁传感器的姿态，利用当前的姿态角将三轴磁通门采集到的磁通量投影到水平面上，即可根据磁通量在水平面上的投影计算得到当前的磁航向。磁传感器校罗盘时，需采集空间磁场8 个点的磁通量，即分别在0、45、90、135、180、225、270、315 点采集磁通量的值，进行罗差校正。由于在进行校正时，磁传感器默认处于水平面，当校正时存在姿态角时，
15、磁通门中穿过的磁通量并非在水平状态时的磁通量，校准就会产生误差，从而导致校正误差。针对故障分析中提到的两种可能性，首先通过在磁传感器与安装支架之间增加可剥垫片来调整角度使其与大气航姿计算机在同一水平面上，确保其姿态正确；其次与厂家协调改进备份飞行显示器中罗差校正部分的算法，最终成功解决了该故障。33 交联自动驾驶仪抖动现象故障现象：交联自动驾驶仪时，驾驶仪系统舵机剧烈抖动。故障分析：自动驾驶仪系统接通后，自驾计算机内部存储器记录接通瞬间的姿态值作为基准姿态，自驾将力图将直升机的姿态保持在基准姿态附近。舵机抖动现象，可能的原因分析如下：1） 成品部件故障：自动驾驶仪系统部件故障，导致执行机构响应
16、故障。2） 传感器单元输出信号故障：传感器输出的姿态信号一直在抖动，因此导致驾驶仪舵机抖动。3） 电磁干扰现象：传感器单元输入到逻辑处理单元或者逻辑处理单元输出到执行机构的模拟量信号受到干扰，执行机构响应错误。针对这 3 点分析，我们在直升机上进行了如下试验：1） 更换驾驶仪系统部件，故障现象未消失。2） 用示波器观察输入到驾驶仪的姿态信号（Arinc407 标准交流模拟量）的波形，发现波形有噪声且有抖动现象。11183） 将自动驾驶仪系统的姿态信号源由新研产品航姿计算机更改换为成熟产品地平仪，故障现象消失。由此初步判断航姿计算机输出的姿态信号故障导致驾驶仪抖动。4） 利用工装将航姿计算机置于直升机机体外侧，一定程度上隔离电磁干扰因素，故障现象仍然存在。由实验现象可以看出，最大的可能性即是大气航姿计算机所提供的信
